新型濕敏材料應用在智能手表上的研究

李吉棟++楊麗++鐘飛++鄔治平++李達+傅偉猛

摘 要：通過化學合成的方法制備具有穩定結構、細小尺寸的納米材料，通過XRD、EDX對其進行表征，并通過對比實驗研究其濕敏性能。結果表明，摻雜是一種細化材料尺寸的有效手段，有助于提高材料的傳感性能。運用實驗提供的新方法合成的納米材料具有高靈敏度、快響應速度等優點，推動了濕度傳感器與智能手表的結合。

關鍵詞：納米材料；濕度傳感器；智能手表；摻雜

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.097

當前市場上的智能穿戴設備基本上都具有計步、睡眠、來電顯示、心率等功能。消費者對這些功能已經習以為常，沒有太多吸引力。開發智能穿戴設備的新功能，提升其功能實用性，是豐富和激發智能穿戴設備市場的有效途徑。我們使用濕度傳感器技術，將智能穿戴設備的監測范圍從人體本身擴大到周圍環境的監測，進一步應用到室內濕度監測和天氣預報。配備具有品質良好、響應速度快、抗干擾能力強、性價比高的濕度傳感器的智能穿戴設備，可以迅速得到精確、實時的環境濕度，從而為進一步提升生活的品質作參考。

濕度是表示大氣干燥程度或空氣中水分子含量的物理量，通常用相對濕度來衡量濕度大小。濕度是一個比較難測量的參數，不同于溫度測量，濕度的測量會受到外界溫度、壓強等因素的影響。所以生產出能夠滿足多種工作環境要求，具有優良特性的濕度傳感器是人們的一大目標。敏感材料是傳感器品質的根本，材料的品質對傳感器的性能和質量起著決定性作用。研發出具有靈敏度高、響應時間短、測試范圍廣、可靠性和循環性好的傳感器的關鍵還是在于新型敏感材料的開發。本文利用納米技術，將敏感材料控制合成至納米尺寸級別，提高傳感器的靈敏度、響應速度，推動濕度傳感器應用于智能手表上的發展。

1 實驗

1.1 試樣制備

將0.329 g的Zn（CH3COO）2·2H2O和不同量的Sb（CH3COO）3一起加入由5 mL乙醇和15 mL去離子水組成的混合溶劑中，將0.400 g的Na2SnO3·3H2O加入由5 mL乙醇和15 mL去離子水組成的混合溶劑中，在適當轉速下磁力攪拌約30 min，分別得到2種反應物的均勻溶液。

將攪拌好的Na2SnO3·3H2O溶液加入正在攪拌的Zn（CH3COO）2·2H2O溶液中，馬上產生乳白色的ZnSn（OH）6前驅體。然后將所得的混合液注入50 mL反應釜內襯中，密封后放入鼓風反應箱中恒溫180 ℃維持12 h。當反應釜自然冷卻到室溫后，用去離子水和無水乙醇交錯多次清洗樣品，并將樣品放入真空干燥箱中干燥。最后將樣品放入馬弗爐中600 ℃煅燒3 h。

當Sb（CH3COO）3量為0.120 g時，得到試樣1.當Sb（CH3COO）3量為0 g時，得到試樣2。試樣2為做性能測試對比實驗。

1.2 試樣結構的表征

對試樣1進行結構的表征測試。采用SEM自帶的Χ射線能量色散光譜儀（EDX）進行Mapping掃描，得到各樣品各元素的分布圖。如圖1所示，Zn、Sn、O、Sb 4種元素均勻地分布在樣品表面，且沒有別的元素存在，說明本實驗得到純度相當高的樣品。EDX分析能夠快速得到樣品包含的各種元素的定性分析及質量百分比濃度，但是只能作元素的定性和半定量分析，不能分析元素以何種形式存在，需要對樣品進行進一步的分析表征。

與標準卡片相比，衍射角為33.80°對應的衍射峰相對強度增大。這意味著Sb的摻雜使ZnSnO3樣品朝著33.8°對應的晶面方向擇優生長，同時也表明樣品材料的微觀結構可能發生了變化。右上角的插圖是衍射角為33.8°時的放大圖。此時，對應的半峰寬相對較寬，意味著所合成的ZnSnO3樣品具有相當小的尺寸。根據Scherrer公式：

式（1）中：K取0.89；λ取0.154 06 nm；B為半峰寬，經測量得1.42°；2θ為33.8°。

代入數據，計算出樣品顆粒的平均半徑D為5.78 nm。這表明經過Sb摻雜的樣品具有大的比表面積和潛在的優良傳感性能。

1.3 試樣性能測試

將試樣1與試樣2分別添加到無水乙醇中研磨，使顆粒分散均勻。然后均勻地將其涂抹在電極上，并放入80 ℃真空干燥箱中處理12 h，制成元件1與元件2.借助濕度測試箱以及高精度測試系統完成濕敏性能測試。

2 實驗結果及分析

2.1 不同相對濕度下濕敏元件的特性

如圖3，元件1與元件2隨著相對濕度（RH）的增高，電阻值降低。隨著濕度的變化，元件1的變化量更大。當相對濕度從20%RH增加到90%RH時，電阻將近降低3個數量級，表明元件1對濕度更加靈敏。

2.2 濕敏元件的響應恢復特性

在30%RH時，元件2的濕度靈敏度為21，元件1的靈敏度高達130.這是當前ZnSnO3濕敏元件研究中最高的靈敏度值。元件1的響應時間和恢復時間分別為7.5 s和33.6 s，元件2的響應時間和恢復時間分別為76.1 s和9.6 s。相比之下，元件1具有更短的響應時間，表明其反應更迅速。盡管恢復時間有所增加，但在可以接受的合適范圍內。圖4中元件的吸濕、脫濕曲線均采用了3個周期循環的測試結果，可以證明濕度傳感器有好的可重復操作性。

2.3 材料顆粒尺寸對元件濕敏性能的影響

根據相關ZnSnO3樣品應用于濕敏傳感器的文獻數據，得到樣品的平均納米尺寸與樣品的靈敏度關系，如圖5所示，靈敏度結果是通過40%RH和90%RH對應的電阻值計算得到的。從圖5中可以看出，隨著樣品納米尺寸的減小，樣品濕度靈敏度值不斷增大。這是因為小尺寸的納米材料具有更大的比表面積和多孔結構有利于水分子的吸附。在這些研究的結果中，我們合成的Sb摻雜的ZnSnO3樣品具有最小的晶粒尺寸，約5.8 nm，且擁有最高的靈敏度值。

3 結論

本文通過水熱法，摻雜手段合成納米尺寸的感濕材料，平均尺寸達到5.8 nm。通過對其濕敏性能的研究，其靈敏度比同等納米材料更高，響應速度更快。這些優異的特性受控于其材料的納米結構和細小尺寸，以及其在吸濕和脫濕過程中的導電機制。這些實驗結果能為新材料的開發以及半導體金屬氧化物濕敏性能的提高提供一定的幫助，也能促進濕度傳感器在智能手表上的應用。

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〔編輯：劉曉芳〕